JP2016122494A

JP2016122494A - バッテリ冷却装置

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Publication number: JP2016122494A
Application number: JP2014260148A
Authority: JP
Inventors: 田邊　圭樹; Yoshiki Tanabe; 圭樹田邊; 山田　純一; Junichi Yamada; 純一山田; 近藤　暢宏; Nobuhiro Kondo; 暢宏近藤
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2014-12-24
Publication date: 2016-07-07
Anticipated expiration: 2034-12-24
Also published as: JP6174557B2

Abstract

【課題】バッテリ温度を適正温度範囲に維持する上、バッテリ冷却手段の効率的な作動を実現し、バッテリ冷却に要する消費エネルギの低減に寄与することができるバッテリ冷却装置を提供すること。【解決手段】ＥＣＵ（３０）が自車両の位置情報及び車両前方の所定の予測範囲における経路情報を取得して（Ｓ１）、バッテリ（１１）の温度推移を予測し（Ｓ２）、予測したバッテリ温度が適正温度範囲を超過する場合には（Ｓ３がＹｅｓ）、指示温度と管理温度幅を設定し（Ｓ４）、この管理温度幅内でバッテリ温度をばらつかせつつ平均温度が指示温度となる制御ベース値及び制御ゲインを算出し（Ｓ５）、算出した制御ベース値及び制御ゲインから求まる冷却指令値に基づきバッテリ冷却回路（２０）を制御する（Ｓ６）。【選択図】図２

Description

本発明は、バッテリ冷却装置に関する。

バッテリには通常、使用する上で適正な温度範囲があり、この温度範囲より高温状態となると、性能の低下や製品寿命の低下を招く。そこで、例えば特許文献１に記載されるように、ハイブリッド車両において駆動源となるモータに電力を供給するバッテリの温度を走行経路に関する道路情報を基に温度推移を予測することでバッテリを適正温度範囲に制御するバッテリ冷却装置が知られている。

特開２００６−１３９９６３号公報

特許文献１に記載される技術においては、バッテリ温度が適正温度範囲を超える場合に事前に冷却を行うこととしているが、その冷却に要するエネルギの最適化までは考慮されていない。

例えば、バッテリの温度が適正温度範囲を超える場合に、適正温度範囲を維持すべくバッテリの冷却ファンを常に最大出力で駆動していては必要以上のエネルギを消費し効率が悪くとなるという問題がある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、バッテリ温度を適正温度範囲に維持する上、バッテリ冷却手段の効率的な作動を実現し、バッテリ冷却に要する消費エネルギの低減に寄与することができるバッテリ冷却装置を提供することにある。

本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様又は適用例として実現することができる。

（１）本適用例に係るバッテリ冷却装置は、車両に搭載され、所定の適正温度範囲を有するバッテリと、前記バッテリを冷却するバッテリ冷却手段と、車両前方の所定の予測範囲における経路情報を取得して、経路上の各地点における前記車両の運転状態を予測し、前記バッテリの温度推移を予測するバッテリ温度予測手段と、前記バッテリ温度予測手段により予測されるバッテリ温度推移において前記適正温度範囲を超える場合、前記バッテリの温度を適正温度範囲内に維持するために前記バッテリ冷却手段に対する指示温度を設定する冷却設定手段と、前記予測範囲において所定の管理温度幅内でばらつきを持たせつつ平均温度が前記指示温度となるように前記バッテリ冷却手段を制御する冷却制御手段と、を備える。

（２）本適用例に係るバッテリ冷却装置は、上記（１）において、前記冷却制御手段は、前記指示温度と前記管理温度幅とバッテリ状態に基づき、前記管理温度幅内でばらつきを持たせつつ平均温度が前記指示温度となる制御ベース値及び制御ゲインを算出し、前記制御ベース値及び制御ゲインを道いて前記バッテリ冷却手段を制御してもよい。

（３）本適用例に係るバッテリ冷却装置は、上記（２）において、前記冷却制御手段は、前記制御ベース値及び前記制御ゲインを、少なくとも前記予測範囲内における前記バッテリの電流の２乗の積算値及び外気温度に応じて算出してもよい。

（４）本適用例に係るバッテリ冷却装置は、上記（１）から（３）のいずれかにおいて、前記冷却制御手段は、前記バッテリの使用状態に応じて前記管理温度幅を設定してもよい。

上記手段を用いる本発明によれば、バッテリ温度を適正温度範囲に維持する上、バッテリ冷却手段の効率的な作動を実現し、バッテリ冷却に要する消費エネルギの低減に寄与することができる。

本発明の一実施形態に係るバッテリ冷却装置の概略構成図である。本発明の一実施形態に係るバッテリ冷却装置のＥＣＵが実行するバッテリ冷却制御ルーチンを表すフローチャートである。バッテリの温度推移の例を示すタイムチャートである。バッテリ冷却における制御ベース値と制御ゲインとを算出する制御フローである。予測範囲におけるバッテリ温度の平均温度と冷却仕事量の関係図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。

図１は本発明の一実施形態におけるバッテリ冷却装置の概略構成図であり、同図に基づき説明する。

ハイブリッド車両１はいわゆるパラレル型ハイブリッドのトラックとして構成されており、以下の説明では、単に車両とも称する。

車両１には走行用の動力源としてディーゼルエンジン（以下、エンジンという）２、及び発電機としても作動可能なモータ３（電動機）が搭載されている。エンジン２の出力軸にはクラッチ４が連結され、クラッチ４にはモータ３の回転軸を介して変速機５の入力側が連結されている。変速機５の出力側にはプロペラシャフト６を介して差動装置７が連結され、差動装置７には駆動軸８を介して左右の駆動輪９が連結されている。

モータ３は、具体的には永久磁石が貼り付けられたロータと三相コイルが巻回されたステータとを備えた同期発電電動機であり、電力変換器１０を介してバッテリ１１と接続されている。

電力変換器１０は、バッテリ１１からの直流電力を交流電力に変換してモータ３に供給可能であるとともに、モータ３からの交流電力を整流してバッテリ１１へ供給可能である。

このように構成された車両１は、エンジン２又はモータ３で発生させた駆動力を変速機５で変速された後、駆動輪９に伝達されることで走行する。また、例えば車両１の減速時や降坂路での走行時には、駆動輪９側からの逆駆動によりモータ３が発電機として作動する。そしてモータ３が発生した負側の駆動力は制動力として駆動輪９側に伝達されると共に、モータ３が発電した交流電力が電力変換器１０で直流電力に変換されてバッテリ１１に充電される。

また、車両１には、バッテリ１１を冷却するためのバッテリ冷却回路２０（バッテリ冷却手段）が設けられている。バッテリ冷却回路２０は、冷媒として冷却水を使用する、いわゆる水冷式の冷却構造である。バッテリ冷却回路２０には、バッテリ１１、ポンプ２１、冷却水タンク２２、ラジエータ２３が設けられている。

詳しくは、ポンプ２１はバッテリ冷却回路２０内に冷却水を循環させるよう駆動するものである。ポンプ２１は電動で駆動し、回転数を調整することで冷却水の流量を変動させることが可能である。本実施形態におけるバッテリ冷却回路２０では、ポンプ２１から、バッテリ１１、冷却水タンク２２、及びラジエータ２３の順に冷却水が循環する。

冷却水タンク２２は、冷却水を貯えるものであり、ラジエータ２３は外気との熱交換により冷却水を冷却する熱交換器である。また、ラジエータ２３の近傍には、当該ラジエータ２３に向けて送風を行うファン２４が配設されている。

ファン２４は電動で駆動し、回転数を調整することで送風量を変動させることが可能である。ラジエータ２３は、ファン２４からの送風により外気との熱交換が促進される。

このように構成されたバッテリ冷却回路２０は、バッテリ１１の冷却時には、ポンプ２１が駆動することでバッテリ１１の熱を吸収した冷却水がラジエータ２３に送られる。ラジエータ２３では、冷却水と外気との間で熱交換が行われることで、冷却水が冷却される。そして、十分冷却された冷却水が再びバッテリ１１に送られる。

このバッテリ冷却回路２０によるバッテリ１１の放熱量はポンプ２１とファン２４の駆動量に応じて変化する。例えば、ポンプの駆動量を増加させれば、冷却水の循環速度が上がりバッテリ１１の放熱量は上昇する。また、ファンの駆動量を増加させれば、ラジエータ２３での冷却水の放熱が促進され、冷却水を低温に維持できることから、バッテリ１１の放熱量は上昇する。

車両１には上記バッテリ冷却回路２０を含め、バッテリ１１の管理を行うＥＣＵ３０が搭載されている。当該ＥＣＵ３０には、バッテリ１１の温度を検出するバッテリ温度センサ３１、車両１外部の外気温度を検出する外気温度センサ３２が接続されている。また当該ＥＣＵ３０は、バッテリ１１からバッテリ１１の電圧、電力変換器１０とバッテリ１１との間に流れる電流などを検出し、これらの検出結果からバッテリ１１のＳＯＣ（State Of Charge：充電量）を算出する。

また、ＥＣＵ３０はバッテリ冷却回路２０を用いたバッテリ１１の冷却制御も行う（冷却制御手段）。このバッテリ１１の冷却制御において、ＥＣＵ３０は車両１の走行を予測し、それに応じたバッテリ温度の変化を予測して、バッテリ温度が適正温度範囲内に維持されるようバッテリ冷却制御を行う。

詳しくは、ＥＣＵ３０は、自車両前方の走行経路における所定の予測範囲で道路環境情報（経路情報）を取得し、当該経路上の各地点の車両１の運転状態を予測する。そのためＥＣＵ３０には、自車両の位置情報取得するＧＰＳ（Global Positioning System）３３と、自車両前方の経路情報を検出するためのナビゲーションユニット３４が接続されている。例えば、ナビゲーションユニット３４は自己の記憶領域に地図データや道路情報、路面勾配情報等が記憶可能であり、且つ渋滞や交通規制などの道路交通情報を外部の通信網から受信可能である。

ここで、図２にはＥＣＵ３０が実行するバッテリ冷却制御ルーチンを表すフローチャートが、図３にはバッテリ１１の温度推移の例を示すタイムチャートが、図４にはバッテリ冷却における制御ベース値と制御ゲインとを算出する制御フローが、図５には予測範囲におけるバッテリ温度の平均温度と冷却仕事量の関係図が示されている。以下図２のフローチャートに沿って、途中図３から図５を参照しつつ、本実施形態におけるバッテリ冷却制御について説明する。

まずＥＣＵ３０は、ステップＳ１において、ＧＰＳ３３から自車両の位置情報を取得し、ナビゲーションユニット３４から所定の予測範囲内における路面勾配情報を取得する。

続いてＥＣＵ３０は、ステップＳ２において、バッテリ１１の温度推移を予測する（バッテリ温度予測手段）。具体的には、上記ステップＳ１において取得した路面勾配情報に基づき車両前方の経路を区分して、各区間において予想される経路上の勾配変化と車両１の運転状態からＳＯＣの変動を予測する。例えば降坂路の区間においてはモータ３により回生運転が行われることが予想され、ＳＯＣが上昇すると予測する。また、登坂路又は平坦路の区間においては、当該区間において予測されるＳＯＣが比較的多ければモータ３のみもしくはモータ３とエンジン２の両者での走行が行われることが予想され、ＳＯＣが消費されると予測する。一方、平坦路が続き回生運転が期待できず、かつ、ＳＯＣが少なければエンジン２のみでの走行が行われることが予想されるため、ＳＯＣは増減しにくいと予測される。そして、ＥＣＵ３０は、このようなＳＯＣの変動から電流履歴に換算しΣＩ²を求めることでバッテリ１１の温度変化を予測する。これは、発熱量を算出するＩ^２Ｒ（電流の２乗×内部抵抗）に基づくものであり、電流履歴そのものを用いる代わりにΔＳＯＣ^２（ＳＯＣの変化量の２乗）を用いても良い。

そしてステップＳ３において、ＥＣＵ３０は予測したバッテリ温度が、予め定められているバッテリ１１の適正温度範囲を超過するか否かを判別する。当該判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、即ちバッテリ温度が適正温度範囲内で推移するのであればバッテリ冷却を行う必要はなく、当該ルーチンをリターンする。

一方、図３に示すように、予測したバッテリ温度の推移において、バッテリ冷却を行わなければ適正温度範囲を超過するような場合には、ステップＳ３の判別結果は真（Ｙｅｓ）となり、バッテリ冷却を行うべくステップＳ４に進む。

ステップＳ４において、ＥＣＵ３０は、バッテリ冷却を行うための指示温度ＴTarget及び管理温度幅ＴBandを設定する（冷却設定手段）。ここでの指示温度ＴTargetは、バッテリ温度を適正温度範囲内に抑えるための温度に設定され、例えば適正温度範囲の上限値ＴLimitに設定される（ＴTarget＝ＴLimit）。また、管理温度幅はバッテリ温度のばらつきを許容する幅に相当し、例えば予測範囲におけるバッテリ１１の使用状態等に応じて任意に設定される。例えばバッテリ１１の使用状態が所定の閾値より多く使用される場合には管理温度幅を狭く設定してバッテリ１１の冷却精度を高め、バッテリ１１の使用状態が閾値以下の場合には管理温度幅を広く設定し効率的な冷却を行う。

続くステップＳ５において、ＥＣＵ３０は、図４に示す制御フローに従って指示温度ＴTarget及び管理温度幅ＴBandから、バッテリ冷却回路２０に対する冷却指令値を求めるための制御ベース値ＴBase及び制御ゲインＴGainを算出する。

詳しくは、図４に示すように、ＥＣＵ３０は、指示温度ＴTarget、管理温度幅ＴBand、予測範囲内のΣI^２（電流の二乗の積算値）、外気温度センサ３２により算出される外気温度ＴAmbient、及び車速に基づく第１マップにより、制御ゲインＴGainを算出する。そして、この制御ゲインＴGainと、指示温度ＴTarget、予測範囲内のΣI^２、外気温度ＴAmbient、及び車速に基づく第２マップにより、制御ベース値ＴBaseを算出する。第１マップ及び第２マップは、バッテリ温度が車両１の運転パターンや外気温度等の外因の影響を受けることを考慮し、予め指示温度ＴTarget及び管理温度幅ＴBandに対してこれらの外因に応じた適正な制御ベース値ＴBase及び制御ゲインＴGainを予め実験により求めて設定されたものである。

ここで、図５の予測範囲におけるバッテリ温度の平均温度と冷却仕事量の関係図に基づき、制御ベース値ＴBase及び制御ゲインＴGainについて説明する。なお、当該関係図において外気温度は一定値ＴAmbient1（例えば３５℃）とする。

同図において、黒点は管理温度幅を０とした場合、即ち制御ゲインＴGainを１００％とした場合のバッテリ平均温度ＴAveと冷却仕事量Ｅとの関係を示している。この場合は一点鎖線で示すように、バッテリ平均温度ＴAveが高くなるほど、即ちバッテリ温度と外気温度ＴAmbient1との差が大きくなるほど冷却仕事量Ｅは低くなる傾向にある。

一方、白点は黒点の条件に対し所定の管理温度幅ＴBand１を持たせた場合のバッテリ平均温度ＴAveと冷却仕事量Ｅの関係を示している。この場合は二点差線で示すように、一点鎖線よりも全体として冷却仕事量が低くなる。その上で、一点鎖線と平行をなすようにバッテリ平均温度ＴAveが高くなるほど冷却仕事量Ｅが低くなる傾向にある。

ここで図５において、管理温度幅を０とし、指示温度ＴTargetを適正温度範囲の上限値ＴLimitとして制御した場合の黒点がａ点となる。この場合の予測範囲内におけるバッテリ温度の分布は、正規分布図（ａ）に示すように、バッテリ温度は、予測範囲内のほとんどの時間において指示温度ＴTargetに制御され、平均値ＴAve１はほぼ指示温度ＴTargetと同じとなる。そして、ａ点の実温度幅は比較的狭いΔＴb１となり、冷却仕事量はＥ１となる。

一方、指示温度ＴTargetは適正温度範囲の上限値ＴLimitとしつつ、所定の管理温度幅ＴBand１を持たせると白点ｂとなる。この場合は、正規分布図（ｂ）に示すように、黒点ａの場合よりもバッテリ温度のばらつきが多くなり、実温度幅がΔＴb２に拡がる（ΔＴb２＞ΔＴb１）。そして、平均温度ＴAve２が若干上昇する一方（ＴAve２＞ＴAve１）、冷却仕事量がＥ１からＥ２に低下する（Ｅ２＜Ｅ１）。つまり、管理温度幅ＴBand１を持たせてバッテリ温度のばらつきを許容することにより、バッテリ冷却回路２０によるバッテリ１１の冷却精度が低下する一方で冷却仕事量が低減することとなる。

そして、管理温度幅ＴBand１を持たせたことでバッテリ１１の平均温度ＴAveが上昇して指示温度ＴTargetから外れることに対して、ＥＣＵ３０は管理温度幅ＴBand１を維持しつつ平均温度ＴAveが指示温度ＴTargetとなるように、上記第１マップ及び第２マップにより制御ベース値ＴBaseと制御ゲインＴGainとを設定している。つまりこれは、図５の白点ｃに示すように、白点ｂから二点鎖線の傾向に沿って、平均温度ＴAve３を指示温度ＴTargetとしている。そして、当該白点ｃの冷却仕事量Ｅ３は、白点ｂの冷却仕事量Ｅ２よりも上昇するが、管理温度幅を持たせない場合の黒点ａの冷却仕事量Ｅ１よりも低い冷却仕事量を実現している（Ｅ３＜Ｅ１）。

ＥＣＵ３０は、このような制御ベース値ＴBase及び制御ゲインＴGainを設定した後、続くステップＳ６において、制御ベース値ＴBaseと制御ゲインＴGainとを乗算した値を冷却指令値（＝ＴBase×ＴGain）としてバッテリ冷却回路２０を制御する（冷却制御手段）。具体的にはＥＣＵ３０は冷却指令値に従ってポンプ２１及びファン２４を駆動制御することで、所定の予測範囲においてバッテリ温度を管理温度幅ＴBand内でばらつきつつも平均温度ＴAveが指示温度ＴTargetとなるようにする。

以上のようにして、ＥＣＵ３０は、バッテリ１１の温度推移を予測し、適正温度範囲を超えるような場合には、適正温度を超える前にバッテリ温度を指示温度ＴTargetまで抑えることで、確実にバッテリ温度を適正温度範囲内に維持している。

そして、図５で示したように、バッテリ１１の冷却制御において、管理温度幅ＴBandを持たせてバッテリ温度のばらつきを許容するよう管理することで冷却仕事量Ｅを低減し、バッテリ１１の冷却に要する消費エネルギを低減させることができる。

特に、ＥＣＵ３０は単に管理温度幅ＴBandを持たせるだけでなく、ばらつきを持たせることによるバッテリ温度の平均値ＴAveの変動を補正するように制御ベース値ＴBase及び制御ゲインＴGainを算出することで、バッテリ温度を適正温度範囲に維持しつつ、消費エネルギの低減を実現することができる。

以上で本発明に係るバッテリ冷却装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。

上記実施形態のバッテリ冷却回路２０に設けられる装置は上述したものに限られるものではなく、各装置の配置等もこれに限られるものではなく、他の装置を設けたり、配置を替えたりしてもよい。また、上記実施形態のバッテリ冷却回路２０は水冷式であるが、冷却指令値に応じてファンを駆動する空冷式であってもよい。

１車両
２エンジン
３モータ
４クラッチ
５変速機
１１バッテリ
２０バッテリ冷却回路（バッテリ冷却手段）
２１ポンプ
２２冷却水タンク
２３ラジエータ
３０ＥＣＵ（バッテリ温度予測手段、冷却設定手段、冷却制御手段）
３１バッテリ温度センサ
３２外気温度センサ
３３ＧＰＳ
３４ナビゲーションユニット

Claims

車両に搭載され、所定の適正温度範囲を有するバッテリと、
前記バッテリを冷却するバッテリ冷却手段と、
車両前方の所定の予測範囲における経路情報を取得して、経路上の各地点における前記車両の運転状態を予測し、前記バッテリの温度推移を予測するバッテリ温度予測手段と、
前記バッテリ温度予測手段により予測されるバッテリ温度推移において前記適正温度範囲を超える場合、前記バッテリの温度を適正温度範囲内に維持するために前記バッテリ冷却手段に対する指示温度を設定する冷却設定手段と、
前記予測範囲において所定の管理温度幅内でばらつきを持たせつつ平均温度が前記指示温度となるように前記バッテリ冷却手段を制御する冷却制御手段と、
を備えるバッテリ冷却装置。
前記冷却制御手段は、前記指示温度と前記管理温度幅とバッテリ状態に基づき、前記管理温度幅内でばらつきを持たせつつ平均温度が前記指示温度となる制御ベース値及び制御ゲインを算出し、前記制御ベース値及び制御ゲインを道いて前記バッテリ冷却手段を制御する請求項１記載のバッテリ冷却装置。
前記冷却制御手段は、前記制御ベース値及び前記制御ゲインを、少なくとも前記予測範囲内における前記バッテリの電流の２乗の積算値及び外気温度に応じて算出することを特徴とする請求項２に記載のバッテリ冷却装置。
前記冷却制御手段は、前記バッテリの使用状態に応じて前記管理温度幅を設定することを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか一項に記載のバッテリ冷却装置。